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Usability Engineering 5Psychophysiologische Messmethoden in der MMST

VL MMS Wintersemester 2014/15Professur für Prozessleittechnik

L. Urbas; J. Ziegler

TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 2

Ziele und Inhalt

• Definitionen und Konzepte

– Belastungs-Beanspruchungs-Konzept der Ergonomie

– Psychophysiologie

• Psychophysiologische Parameter und Messmethoden

– Pupillometrie, EEG, GSC, fMRT, fNIRS

• Anwendung psychophysiologischer Konzepte und Methoden in der Ergonomie

– Anforderungen an die Experimentgestaltung

DEFINITIONEN UND KONZEPTE


[nach DIN EN ISO 26800, 2011, S.14 und EN ISO 10075-1, S. 6]

Belastungs-Beanspruchungs-Konzept

Belastung

Beanspruchung

Kurzfristige Auswirkungen

Beeinträchtigung Verbesserung

Langfristige Auswirkungen

Beeinträchtigung Verbesserung

Indiv

iduum

Wirkungs-modifikatoren

Rückm

eld

ung

Um

welt

Wir

kung

Urs

ache


[nach Ribback,2003, S.18]

Arten der Beanspruchung

PhysischeBeanspruchung

Gesamtbeanspruchung

Mentale/Kognitive Beanspruchung

EmotionaleBeanspruchung

PsychischeBeanspruchung


Psychophysiologie

= „befasst sich mit den Zusammenhängen zwischen menschlichem Verhalten und physiologischen Prozessen“ [Schandry, 1998]

• Frage nach physiologischen Begleiterscheinungen menschlichen Verhaltens

– Auftretensbedingungen

– Differentielle Ausgeprägtheit

– Innerorganismische Wirkungszusammenhänge

– Biologische Bedeutsamkeit

• Methodischer Ansatz:

– Variation des Verhaltens (UV) mit psychologischen Mitteln (Instruktion, sensorische Reize, situative Parameter)

– Beobachtung der physiologischen Reaktionen (AV)


Ingenieurs-Psychophysiologie

Engineering Psychophysiology [Backs & Boucsein, 2000]

= „Forschungsdisziplin, die psychophysiologische Methoden auf klassische Probleme in der Disziplin der Ingenieurpsychologie anwendet“

• Untersucht spezifische Auswirkungen der Arbeitsbelastung und der Arbeits-umgebung auf Zustand, Effizienz und Wohlbefinden der Mitarbeiter

Psychophysiological methodology [Backs & Boucsein, 2000]

= Sammlung von „Messtechniken, die der nicht-invasive Beurteilung der physiologischen Funktion bzw. Arbeitsweise dienen“

• Beschreibt geeignete Messtechniken und deren Kombinationen

• Kombiniert physiologische, subjektive und verhaltensorientierte Maße

Weiterführende Veranstaltungen:

Prof. Ingenieurspsychologie und

angewandte Kognitionsforschung

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_psychologie/i3/applied-cognition/lehre


Konzepte der Psychophysiologie

Aktivierung

= „ein innerer Zustand mit unterschiedlich hoher psychischer und körperlicher Funktionstüchtigkeit“ [DIN 10075-1]

= „Optimierung der psychophysiologischen Basis für adäquates Reagieren auf externe oder interne Anforderungen“ [Schandry, 1998, S.50]

• „Freisetzung von Energie in die [...] physiologischen Systeme als Vorbereitung auf eine Aktivität“ [ebenda]

– einer Reihe von psychophysiologischen Anregungsprozessen, die durch eine äußere Stimulation (Erregung) ausgelöst und gesteuert werden

– Nach Wegfall der Stimulation Rückkehr zu einem Ruheniveau

Aktiviertheit = aktueller innerer Zustand


Prof. Differentielle und

Persönlichkeitspsychologie

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_psychologie/i2/differentielle/Information Lehre/VL_PP_2013_14/persoenlichkeit I


Stress-Konzept

Stress [nach Schandry, 1998]

= individuelle, unspezifische psychische und physiologische Reaktion auf Stressoren, die zu einer kurzzeitigen oder anhaltenden Beeinträchtigung der psychischen Befindlichkeit und/oder physischer Funktionen führen

• Reaktion auf (anhaltende) Anforderungssituationen,

– an die eine Adaption schwer oder unmöglich ist

– deren psychisches und physiologisches Geschehen negative Erlebnisqualität haben

– die potenziell irreversibel und damit häufig schädigend

Wirken von Stressoren


Stress-Konzept

Stressor [nach Schandry, 1998]

= Reize oder Situationen mit negativer Erlebnisqualität, an die eine Adaption erschwert oder unmöglich ist und die damit den Auslöser einer Stressreaktion darstellen

• Klassen von Stressoren: [Jahnke, 1974; nach Schandry, 1998, S.75]

– Äußere Stressoren

– Behinderung bei der Befriedigung von Primärbedürfnissen

– Leistungsstressoren

– Soziale Stressoren

– Konflikte



Orientierungsfunktion

= phasisch ablaufende Reaktion, dessen Intensität bei wiederholter Reizdarbietung kontinuierlich abnimmt (Habituation)

– Auslöser: Veränderungen im Reizfeld

• Intensität steigt wieder bei Diskrepanz zw. gespeichertem Reizmodell und auftretendem Reiz (Dishabituation)

– vergrößerte Reaktion auf Standardreiz nach Auftreten eines Fremdreizes



Reaktionsspezifität

= Reaktionen verschiedener Regelsysteme bilden tendenziell stabile Reaktionsmuster aus [Schandry, 1998]

• Stimulusspezifische Reaktion:

– Reiz/Reizklasse löst über Individuen hinweg gleichartige oder ähnliche Reaktionsmuster aus

• Individualspezifische Reaktion:

– Individuum zeigt über Reize/Reizklassen hinweg typische Reaktionsmuster

• Motivationsspezifische Reaktion:

– Individuum zeigt für bestimmte äußere Begebenheiten bei stabiler Situationsbewertung und Motivationslage typische Reaktionsmuster



Autonome Balance

= „ein Zustand, in dem sich die antagonistischen Teilsysteme Sympathikus und Parasympathikus in einem Gleichgewicht zueinander befinden“ [Schandry, 1998]

Ruheniveau

• Autonome Dysbalance kann bei längerem Andauern zu gesundheitlichen Schäden führen

• Autonome Dysbalance ist auch eine Determinante für Emotionen [Gellhorn, 1970]



Interozeption [Schandry, 1998]

= Wahrnehmung von Zuständen und Prozessen im Körperinneren

Propriozeption [Schandry, 1998]

= Wahrnehmung von Prozessen in Skelettmuskulatur und Gelenken

können genutzt werden für die subjektive Selbstbeurteilung des

aktuellen physiologischen Zustands

• Problem: inter- und intraindividuelle Unterschiede in der Intensität der Wahrnehmung

– interindividuelle Unterschiede im Wahrnehmungsvermögen

– Abhängigkeit von der Aufmerksamkeitslenkung durch konkurrierende interne oder externe Reize

PSYCHOPHYSIOLOGISCHE PARAMETER UND MESSMETHODEN


Respiratorische Aktivität

• Atemfrequenz und -tiefe

Okulomotorische Aktivität

• Augenbewegung, Lidschlag

Pupillometrie, Elektrookulografie

Biochemie

• Metabolismus (Körpertemperatur, Chemische Atemluftanalyse)

• Endokrines System (Cortisol, Adrenalin)

• Immunsystem

Elektrische Muskelaktivität

• Aktionspotentiale von Muskeln oder Fasern

Elektromyografie, Elektroneurografie

Erfassbare Regelsysteme[Vossel & Zimmer, 1998]

Elektrodermale Aktivität

• Hautleitfähigkeit, -widerstand, -potential

Kardiovaskuläre Aktivität

• Herzschlagfrequenz, Blutdruck

• Periphere Durchblutung

Elektrokardiografie, Plethysmografie

Hirnelektrische Aktivität

• blood-oxygenation-level-dependent(BOLD) contrast

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Elektroenzephalografie

functional Near InfraRed Spectroscopy


Institut für Biomedizinische

Technik

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_elektrotechnik_und_informationstechnik/ibmt/studium/index_html



Messverfahren (Galvanic Skin Conductance – GSC)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung des elektrischen Hautleitwerts

– Variiert je nach durch die Schweißdrüsen freigegebener Feuchtigkeit

– Korreliert mit momentanem Erregungszustand (Häufigkeit sympathischer Aktionspotenziale)

[nach Vossel & Zimmer, 1998]

Messmethode Endo-somatisch

Exosomatisch

Spannung Keine Gleichspannung Wechselspannung

Bezeichung Haut-potenzial

Hautleit-fähigkeit

Hautwider-stand

Haut-admittanz

Haut-impedanz

AbkürzungAllgemeinTonischphasisch

SPSPLSPR

SCSCLSCR

SRSRLSRR

SYSYLSYR

SZSZLSZR



Anwendungen

• Erfassung der Reaktion auf singuläre Reize (phasisch)

• Erfassung des Aktivationsniveaus (tonisch)

– Reize erzeugen elektrodermale Reaktion (positive und negative Erregung)

– Aufmerksamkeit abhängig von Neuheit, Intensität, Bedeutung & emotionalem Gehalt

– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und Umwelteinflüssen

– Unauffällig, leicht, mobil einsetzbar


[Bildquelle: simpleusability.com]



Messverfahren (Pupillometrie und Elektrookulografie)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Augenbewegungen, Änderungen im Durchmesser der Pupille oder des Lidschlags

– gesteuert von ANS

– Extraktion von Kennwerten (Durchmesser, Fläche) und Korrelation zu mentaler Arbeitsbeanspruchung (task evoked pupillary response)


[Bildquelle: Tobii.com] [Bildquelle: http://plasmadesignlab.ch/project/messbrille/]

EOG MessbrilleOptischer Eye Tracker



Anwendungen

• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung

• Erfassung von Müdigkeit und Erschöpfung

• Blickverfolgung zur Erfassung von Aufmerksamkeit

– empfindlich ggü. Bewegung, kleinen Augen und langen Wimpern

– beeinflusst von vielen internen und externen Faktoren (Lichtintensität, Augenform)


Emotion responseanalysis mit EEG und Eye Tracking

[Bildquelle: simpleusability.com]



Messverfahren (Elektrokardiografie)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern

– basiert auf dem Mechanismus der Autorhythmie (ZNS und ANS moderieren autonome Herzkontraktion)

– erlaubt Beurteilung des sympathisch-parasympathischen Gleichgewichts




Anwendungen


• Analyse von Prozessen der Aufmerksamkeitsregulation

– vergleichsweise sehr gute Standardisierung

– lineare und nichtlineare Parameter im Zeit- und Frequenzbereich

– relativ einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen


EKG-Standard-Ableitepunkte(Rumpfmessung)



Messverfahren (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Änderungen der Blutsauerstoff-konzentration im Hirn (blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) contrast)

– basiert auf dem Prinzip der Neurovaskulären Kopplung

– Extrapolation verschiedener Niveausder Hirnaktivität [Villringer & Chance, 1997]

– starke Korrelation zu mentaler Arbeits-beanspruchung [Cui et al, 2011]

[nach Girouard et al, 2010]

[Bildquelle:

Peck et al., 2010]

[Bildquelle:

Wikipedia]



Anwendungen (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)


– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen

• Adaptive Brain-Computer Interfaces

– Adaption an Arbeitsbeanspruchung und ausgeübte Tätigkeit

[nach Girouard et al, 2010]



Messverfahren (Elektroenzephalografie – EEG)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität

– Aufzeichnung der Potenzialschwankungen an der Kopfoberfläche (Spontanaktivität)

– Frequenzen korrelieren mit Bewusstseins- und Aufmerksamkeitszuständen

[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]

[Bildquellen:

l: Sharbrough, F. et al,

1991;

r: brainproducts.com]

EEG-Standard-Ableitepunkte nach dem 10-20-System



Anwendungen (Elektroenzephalografie – EEG)

• Analyse tonischer Veränderungen der mentalen Beanspruchung

– Indikatoren mentaler Beanspruchung: Abnahme parietaler und okzipitaler Alpha-Aktivität, Zunahme frontaler Theta-Aktivität

– Vergleich interessierender Zeitintervalle (Ruhe und Belastungsphasen)

• Analyse kurzer, reizbezogener Zeitintervalle zur Untersuchung phasischerFrequenzänderungen

• Emotion response analysis (Erregung, Engagement, Frustration)





[Bildquelle: www.neurologie-ulm.de/leistungen/eeg.html]



Messverfahren (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität

– selbes Funktionsprinzip wie fNIRS

– Veränderung der effektiven transversalen Relaxationszeit von Wasserstoff-Kernspin

– sensitiv für Konzentrationsänderung zw. oxygeniertem und desoxygeniertemHämoglobin (BOLD-Kontrast)

[nach Huettel et al., 2004]

[Bildquelle: wikipedia]



Anwendungen (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)

• Hochgenaue räumlich-lokalisierende Untersuchungen von neurologischen Reizreaktionen

– niedrige zeitl. Auflösung, sehr hohe Empfindlichkeit ggü. Bewegung

– hohe räumliche Auflösung

– besonders relevant für Neurologie und Neuropsychologie

[nach Huettel et al., 2004]

[Bildquelle: meduniwien.ac.at]

ANWENDUNGEN IN DER MMST


Anforderungen an die Experimentgestaltung

Allgemeine Betrachtungen

• Psychophysiologische Variablen sind selten unabhängig oder monokausal

• Psychophysiologische Messungen sind i.d.R. indirekt in Bezug auf die psychische Arbeitsbelastung

Kombination von Messmethoden und Regelungssystemen

Einbeziehung empirisch gut belegter Effekte bzw. Reaktionsmuster



Versuchsplanung

• Prinzip der isolierenden Bedingungsvariation nicht vollständig umsetzbar

Sorgfältige Auswahl weiterer Kontrolltechniken

Sorgfältige Festlegung und Kontrolle der Zielpopulation (Homogenisierung)

Versuchsdurchführung

• Wahrung der Persönlichkeitsrechte

Nichtinvasive Messung

Wahrung der Intimsphäre



Aufgabengestaltung 1/2

• Sympathische Reaktion sehr unspezifisch bis diffus (Adrenalinflut)

• Psychophysiologische Reaktion mit sehr unterschiedlichen Verzögerungen

• Aktivierung erzeugt innere Reaktion in Vorbereitung auf Aufgabenerfüllung

• Habituation verringert innere Reaktion auf äußere Reize

• Emotionale und mentale Belastung nicht trennscharf in innerer Wirkung



Aufgabengestaltung 2/2

Geeignete mentale Vorbereitung der Probanden

Berücksichtigung allg. psychophysiologischer Effekte bei den Probanden

Berücksichtigung von Aktivierungseffekten in der Workflow-Gestaltung

Prüfung von Konfundierungseffekten durch Kontrolltechniken (Balancing)

Relevante Zeitbereiche stark von irrelevanten abgrenzen


Messmodell (Beispiel)

Mess-methode Instrument

MetrikSubcharak-

teristikCharak-teristik

Konzept

Geb

rau

chs-

tau

glic

hke

it

EffektivitätErfolgreich

abgeschlossene Aufgaben (%)

KalkulationLog-Datei

Effizienz

Arbeitsbean-spruchung

HRV-ParameterBiosignal-

verarbeitung EKG

Subjektive Bewertung (0…100)

Befragung NASA-TLX

Zeitaufwand Zeit pro Aufgabe KalkulationLog-Datei

Zufrieden-stellung

Subjektive Bewertung (0…100)

BefragungSystem Usability Scale


Zusammenfassung

• Belastungs-Beanspruchungs-Konzept ist ein zentrales Konzept der Ergonomie

• Es begründet die Nutzung psychophysiologischer Methoden zur Erfassung von Arbeitsbeanspruchung als Effizienzmaß im Sinne der Gebrauchstauglichkeit

– Maße sollten immer kombiniert werden und nur als Unterstützungsmaße genutzt werden

– Für mobile Dual-Task Szenarien bieten sich insb. Pupillometrie, EEG, GSC, und ggf. auch fNIRS an

• Psychophysiologische Konzepte müssen auch bei der Gestaltung von Experimenten berücksichtigt werden

– Vor- und nachgelagerte Effekte, Habituation, unspezifische Reaktion bei starker Aktivierung

TU Dresden MMST (c) Urbas, Ziegler 2006-2013 Folie 37

Literatur

• Ribback, S. (2003) Psychophysiologische Untersuchung mentaler Beanspruchung in simulierten Mensch-Maschine-Interaktionen (Doctoral dissertation, Universitätsbibliothek).

• Gramann, K., & Schandry, R. (2009) Psychophysiologie: Körperliche Indikatoren psychischen Geschehens. Beltz, PVU.

• Vossel, G., & Zimmer, H. (1998) Psychophysiologie. Kohlhammer.

• Boucsein, W. (Ed.) (2000) Engineering Psychophysiology: Issues and Applications. CRC Press.

• Andreassi, J. L. (2000) Psychophysiology: Human behavior and physiological response.Psychology Press.

• Cacioppo, J. T., Tassinary, L. G., & Berntson, G. (Eds.) (2007) Handbook of psychophysiology. Cambridge University Press.

• Manzey, D. (1998) Psychophysiologie mentaler Beanspruchung. Ergebnisse und Anwendungen der Psychophysiologie. Enzyklopädie der Psychologie, Vol. 100, S. 799-864.

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